土壤微生物活动与气候因子对哥伦比亚番石榴重金属积累的调控机制及生态风险评估

这篇研究通过多维度分析揭示了哥伦比亚桑坦德省番石榴产区土壤重金属（HM）污染特征及其生态调控机制。研究综合运用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、随机森林（RF）模型和主成分分析（PCA），证实土壤微生物活性（SMA）与镉（Cd）存在显著负相关（R2=0.86），降水、土壤密度和黏土含量是驱动重金属分布的关键环境因子。成果为热带水果安全生产提供了科学依据。

　　

引言

重金属（HM）污染对哥伦比亚番石榴产业构成多重威胁，这种具有原产地标志的作物涉及1.5万家庭生计。研究聚焦镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）、铅（Pb）在土壤-植物系统的迁移规律，创新性地引入土壤微生物活性（SMA）和脱氢酶活性作为生物指示剂，结合机器学习模型解析环境驱动机制。

材料与方法

在桑坦德省Guavatá、Vélez等核心产区，采集35个样点的土壤（30 cm深度）、叶片和果实样本。采用微波消解-ICP-MS测定重金属，土壤生物学指标通过密闭培养法（CO₂
释放量）和TTF比色法（485 nm波长）量化。环境变量整合SoilGrids? 2.0土壤属性、Landsat 8 NDVI植被指数及1980-2011降水数据，通过ArcGIS? Pro进行空间插值。随机森林模型筛选关键预测因子，%IncMSE和IncNodePurity评估变量重要性。

结果

重金属分布特征
土壤Cd在Guavatá达7.76 mg kg^-1
，显著高于果实（<0.04 mg kg^-1
）。铬（Cr）在Puente Nacional土壤中富集（1.46 mg kg^-1
），而果实重金属均低于欧盟标准（EU 2021/1323）。

土壤生物学响应
Vélez的SMA峰值达156 kg ha^-1
d^-1
（24 h），脱氢酶活性在Puente Nacional最高（64 μg TTF g^-1
）。Moran指数显示SMA呈集群分布，Cd为随机分布。

环境驱动机制
RF模型揭示：

• Cd预测（R2=0.75）：8月降水（%IncMSE=15.7）、土壤密度（12.3）、黏土含量（9.8）主导
• SMA预测（R2=0.88）：年降水量（-0.067%/mm）、脱氢酶活性（+1.09%/单位）影响显著
  PCA证实SMA每增加10单位可使Cd降低15.2%，空间上高SMA区（>161 kg ha^-1
  d^-1
  ）占9%面积，与Cd高污染区（29%）呈镜像分布。

讨论

微生物活动通过胞外聚合物（EPS）螯合和氧化还原作用降低Cd生物有效性，这与García-Saucedo等（2021）发现的脱氢酶-有机质耦合机制一致。降水通过淋溶效应（JJA季-15.8% Cd）和土壤孔隙度变化双重调控重金属形态。研究首次构建番石榴产区的Cd-SMA空间拮抗模型，为精准农业提供新靶点。

结论

番石榴果实符合国际食品安全标准，土壤微生物群落可作为天然的Cd污染缓冲系统。建议在Guavatá-Vélez高风险区（>1.47 mg kg^-1
）推广有机改良措施，并建立基于NDVI和降水预测的早期预警体系。该成果为热带水果产业的可持续发展提供了"土壤-气候-微生物"协同调控范式。